ES2215238T3

ES2215238T3 - Dispositivo y procedimiento para criptografia cuantica.

Info

Publication number: ES2215238T3
Application number: ES97940111T
Authority: ES
Inventors: Nicolas Gisin; Bruno Huttner; Antoine Muller; Hugo Zbinden; Beat Perny
Original assignee: Swisscom AG
Current assignee: Swisscom AG
Priority date: 1996-09-05
Filing date: 1997-08-15
Publication date: 2004-10-01
Anticipated expiration: 2017-08-15
Also published as: EP0923828A1; ATE258733T1; EP0923828B1; JP2000517499A; DK0923828T3; CA2265553A1; DE69727388T2; WO1998010560A1; CZ295335B6; CZ47799A3; CA2265553C; AU4206897A; JP4095672B2; US6438234B1; DE69727388D1

Abstract

2SISTEMA Y PROCEDIMIENTO PARA COMUNICAR UNA CLAVE ENTRE DOS ESTACIONES (1, 2) UTILIZANDO UN SISTEMA INTERFEROMETRO PARA CRIPTOGRAFIA CUANTICA. EL PROCEDIMIENTO COMPRENDE EL ENVIO DE AL MENOS DOS IMPULSOS DE LUZ POR UN CANAL CUANTICO (3) Y DETECTAR LA INTERFERENCIA CREADA POR ESTOS IMPULSOS EN UNA ESTACION (BOB). LOS IMPULSOS INTERFERIDORES CIRCULAN POR LOS MISMOS BRAZOS DEL INTERFEROMETRO, PERO EN OTRA SECUENCIA, DE MANERA QUE SE VEN RETRASADOS CUANDO CIRCULAN POR DICHO CANAL CUANTICO. LOS IMPULSOS SON REFLEJADOS POR AL MENOS DOS ESPEJOS FARADAY (14, 16, 22) SITUADOS EN LOS EXTREMOS DEL CANAL CUANTICO, CON EL FIN DE CANCELAR LOS EFECTOS DE POLARIZACION. EL SISTEMA TIENE LA VENTAJA DE QUE NO PRECISA DE ALINEACION NI DE EQUILIBRADO ENTRE LOS BRAZOS DE LOS INTERFEROMETROS, Y PUEDE UTILIZARSE EN ESTACIONES DE JUEGO LISTAS PARA UTILIZAR.

Description

Dispositivo y procedimiento para criptografía cuántica.

Arte previo

El objeto de la criptografía es intercambiar mensajes en total privacidad entre dos usuarios, convencionalmente conocidos como Alice y Bob. Los procedimientos de criptografía utilizan frecuentemente un algoritmo de codificación y descifrado anunciado públicamente; la confidencialidad de la información depende por completo de una clave, que debe ser empleada como una entrada al algoritmo de descifrado, para descifrar los mensajes recibidos.

Una clave consiste, usualmente, en una larga cadena de bits elegida aleatoriamente y lo suficientemente larga. Una vez que la clave está establecida, subsiguientes mensajes pueden ser transmitidos de forma segura sobre un canal público. Sin embargo, dos usuarios que quieren comunicarse deben, en una cierta etapa, utilizar un canal seguro para compartir la clave. Con procedimientos convencionales de transmisión de clave, que pueden estar sujetos a vigilancia pasiva mediante un escuchador oculto, es imposible transmitir una clave secreta de modo certificable, y son requeridos cuantiosos medios de seguridad física. Sin embargo, es posible una distribución segura de clave empleando técnicas cuánticas. En criptografía cuántica la clave es intercambiada a través de un canal cuántico. Su seguridad está basada en principios de mecánica cuántica, que establecen que cualquier medida de un sistema cuántico adecuadamente escogido, modificará inevitablemente el estado cuántico de este sistema. Por lo tanto, una escuchadora escondida, Eva, puede sacar información de un canal cuántico llevando a cabo una medida, pero los usuarios legítimos la detectarán a Eva y, por lo tanto, no usarán la clave. En la práctica, el sistema cuántico puede ser un simple fotón propagándose a través de una fibra óptica, y la clave puede estar codificada mediante su polarización o mediante su fase, según propuesto por Ch. Bennett y G. Brassard en "Quantum Cryptography : Public key distribution and coin tossing". Proceedings of the International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, 1984, pp. 175-179 (IEEE, New York, 1984).

Los sistemas de distribución de clave cuántica interferométricos, están usualmente basados en un interferómetro doble de Mach-Zehnder, un lado para Alice y uno para Bob (ver figura 1). Estos interferómetros implementan multiplexación en el tiempo, ya que ambos pulsos que interfieren siguen la misma trayectoria entre Alice y Bob, con algún tiempo de retardo. Sin embargo, los pulsos siguen diferentes trayectorias dentro de los interferómetros de Alice y Bob. Para obtener una buena interferencia ambos usuarios necesitan, por lo tanto, tener interferómetros idénticos, con las mismas relaciones de acoplamiento en cada brazo y las mismas longitudes de trayectoria, y también necesitan mantenerlos estables dentro de unas pocas decenas de nanometros durante una transmisión. Por tanto, un interferómetro tiene que ser ajustado al otro cada pocos segundos, para compensar desplazamientos térmicos. Es más, puesto que componentes ópticos como moduladores de fase son dependientes de la polarización, el control de la polarización es necesario tanto en la línea de transmisión, como en cada interferómetro. En sistemas basados en polarización, la polarización tiene que ser mantenida estable a lo largo de decenas de kilómetros para mantener alineados los polarizadores en los lugares de Alice y Bob. Obviamente, esto es un inconveniente para las aplicaciones prácticas.

Un problema técnico que la invención desea solucionar, es encontrar un dispositivo mejorado y un procedimiento mejorado de criptografía cuántica.

De acuerdo con varios aspectos de la presente invención, estas mejoras resultan de las características de la parte caracterizadora de las reivindicaciones independientes.

Más específicamente, estas mejoras resultan de un sistema en el que los pulsos que interfieren corren sobre las mismas ramas del interferómetro pero en otra secuencia, de forma que están retardadas en el tiempo cuando corren sobre el mencionado canal cuántico.

El sistema de la invención permite así, que sea construido un sistema que no necesita alineamiento o balanceo del interferómetro. Usando el sistema de la invención, Alice y Bob pueden así intercambiar información, por ejemplo una clave criptográfica a través de un canal de telecomunicación estándar. Los usuarios en ambos extremos de un canal, sólo necesitan conectar la estación inventiva de transmisión/recepción y la estación inventiva de codificación de la clave, sincronizar sus señales y comenzar el intercambio.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, la cancelación de efectos de polarización se obtiene empleando espejos de Faraday en los extremos de las fibras.

La invención será explicada en mayor detalle por medio de un ejemplo con referencia a los dibujos, en los cuales:

la figura 1 es una representación esquemática de un interferómetro de Mach-Zehnder convencional para criptografía cuántica, de acuerdo con el arte previo,

la figura 2 es una representación esquemática de una primera realización de un dispositivo de acuerdo con la invención,

la figura 3 es una representación esquemática de una segunda realización de un dispositivo de acuerdo con la invención, y

la figura 4 es una representación esquemática de una tercera realización de un dispositivo de acuerdo con la invención.

La figura 1 muestra un diagrama de bloques de un interferómetro de Mach-Zehnder convencional para criptografía cuántica según se describe, por ejemplo, en la patente U. S. No. 5307410 (Benett). Una fuente de láser 40 en el dispositivo de Alice, emite un pulso de láser corto hacia Bob. El pulso de láser es dividido en dos pulsos desplazados en el tiempo, P1 y P2, mediante Alice: uno va a través de una trayectoria corta y a través de un modulador de fase 42; y el segundo está retardado mediante una trayectoria más larga 43. Dos acopladores (divisores del haz) 41 y 44, son necesarios para dividir el pulso de láser. La información en torno a la clave, es codificada en el desplazamiento de fase introducido mediante el modulador de fase.

Después de la propagación a lo largo de la fibra óptica 3, los dos pulsos desplazados en el tiempo P1 y P2 llegan a un interferómetro similar en el lado de Bob, creando tres pulsos. El primer pulso está producido a partir de P1 corriendo sobre una rama corta que comprende un modulador de fase 51, en el lado de Bob. El último pulso está producido a partir de P2 corriendo sobre una parte de retardo 52, en el lado de Bob. Estos dos pulsos no llevan información del establecimiento de fase. El pulso intermedio es obtenido mediante interferencia entre P1 corriendo sobre la línea de retardo en el lado de Bob, con P2 corriendo sobre la rama corta 51. El establecimiento de la fase relativa crea una interferencia constructiva o destructiva, en los detectores 55 y 56.

Para obtener una buena visibilidad, hay que mantener los dos interferómetros 4 y 5 idénticos, y deberían preservar la polarización. En particular, la longitud de las líneas de retardo 43, 52 en ambos interferómetros debe ser exactamente la misma. Esto se hace usualmente, según el arte previo, ajustando un interferómetro al otro cada pocos segundos para compensar desplazamientos térmicos.

Una primera realización de un sistema de comunicación óptica, configurado para la distribución de una clave empleando criptografía cuántica de acuerdo con la invención, que implementa distribución de clave cuántica codificada por fase, y basado en multiplexación en el tiempo, es mostrada en la figura 2. Esta realización presenta un acoplador 12 2x2. En principio, tenemos un interferómetro de Michelson asimétrico en el lado de Bob (1), con un brazo largo que va a Alice. En el lado de Bob la estación de transmisión/recepción 1 comprende un láser de pulsos 10, un primer acoplador 11, un espejo de Faraday 16, un segundo acoplador 12, un modulador de fase 13, un segundo espejo de Faraday 14 y un detector de fotón aislado 17. El láser 10 puede ser, por ejemplo, un láser DFB y produce, por ejemplo, pulsos de 300 ps a 1.300 nm, con una velocidad de repetición de, por ejemplo, 1 KHz. En el lado de Alice la estación de codificación de clave 2 comprende un acoplador 20, un detector 23, un modulador de fase 21, un espejo de Faraday 22 y un atenuador 24 controlado mediante el detector 23. Los dispositivos de Alice y Bob están acoplados en ambos lados de un canal cuántico 3, por ejemplo, en ambos lados de un canal óptico que comprende fibra óptica de modo simple.

Bob inicia la transmisión enviando un pulso de láser corto hacia Alice. Ignoremos por ahora los efectos de los espejos de Faraday 16, 14, 22, y considerémoslos como espejos usuales. La necesidad de un acoplador 20 y un detector 23 en el brazo de Alice, será también explicada más tarde. El pulso que llega al acoplador 12 es dividido en dos partes: una parte P1 va directamente hacia Alice; mientras la segunda parte P2 es primero retardada mediante un rebote en los espejos 14 y 16 (línea de retardo). Los dos pulsos P1 y P2 descienden por la fibra hacia Alice. Para codificar sus bits, Alice deja que el primer pulso P1 sea reflejado mediante el espejo 22, pero modula la fase del segundo pulso P2 por medio de un modulador de fase 21 situado enfrente del espejo 22 (desplazamiento de fase \diameterA). Los dos pulsos viajan entonces de vuelta a Bob. La detección en el lado de Bob se lleva a cabo retardando parte de P1 en la misma línea de retardo 14-16. Bob deja el pulso P2 inalterado, pero modula la fase del primer pulso P1 con el modulador de fase 13 situado enfrente del espejo 14 (desplazamiento de fase \diameterB). Este pulso interfiere entonces con P2. Si los moduladores de fase en los lados tanto de Alice como de Bob están desconectados, o la diferencia \diameterA-\diameterB = 0 (el mismo desplazamiento de fase aplicado a los dos pulsos P1 y P2), entonces la interferencia será constructiva (los dos pulsos siguen exactamente el mismo camino). Sin embargo, si Alice o Bob cambian su establecimiento de fase entre los dos pulsos, la interferencia puede volverse destructiva. Interferencia totalmente destructiva es obtenida cuando: \diameterA-\diameterB = \pi, donde el \diameterA y \diameterB son desplazamientos de fase totales introducidos mediante Alice y Bob respectivamente, por ejemplo los desplazamientos de fase correspondientes a un viaje de retorno a través de los moduladores de fase. En este caso ninguna, luz es detectada en el detector de fotón aislado 17. Nótese que es esencial que la interferencia obtenida cuando los desplazamientos de fase son diferentes, es totalmente destructiva. Esto asegura que cuando Bob obtiene un evento de detección, él puede estar seguro de que Alice no usó una fase diferente y, por tanto, de que ella usó la misma fase que él mismo.

Esto muestra que el sistema de fase relativa modula la intensidad en el detector 17, y puede así ser empleado para transferir información de Alice a Bob. Las primeras características atractivas de este sistema, son que el interferómetro está automáticamente alineado (ambos pulsos están retardados mediante la misma línea de retardo), y que la visibilidad de los fnnges es independiente de los coeficientes de transmisión/recepción del acoplador 12.

Desde luego, una gran fracción de luz no sigue estas dos trayectorias sino que es dividida de forma diferente en varios acopladores (por ejemplo, se mantiene oscilando unas pocas veces entre 14-16 ó 16-22 antes de partir hacia el detector 17). Estos pulsos llegarán eventualmente al detector 17 pero en un momento diferente y serán fácilmente discriminados. Por lo tanto, no reducen la visibilidad. Es de particular interés la fracción de P1 que vuelve desde Alice a Bob y que va directamente al detector 17, llegando así antes que los dos pulsos en interferencia. Mostraremos en lo que sigue que este pulso es necesario para impedir ciertos tipos de estrategia del escuchador oculto. Por favor, nótese que como la distancia entre Alice y Bob es mucho mayor que la longitud del interferómetro de Bob, el retardo temporal entre dos pulsos que llegan al mecanismo de Bob (por ejemplo, el tiempo entre P2 partiendo y P1 volviendo), es mucho mayor que el tiempo entre los pulsos en el mecanismo de Alice: un lapso de 10 km entre Alice y Bob corresponde a 0.1 ms. Esto significa que la estación de Bob necesita permanecer estable durante tiempos superiores que aquellos, pero esto no es un problema para un sistema interferométrico corto. Por otra parte, asumiendo una distancia entre los espejos 14 y 16 de 3 m, el retardo temporal entre los pulsos que llegan al sistema de Alice es sólo 30 ns. Esto significa que no hay absolutamente ningún problema de estabilidad, incluso para una línea de transmisión muy larga. No obstante, para codificar sus bits, Alice necesita tener un modulador de fase rápido 21 (alrededor de 100 MHz). Esta modulación rápida se necesita para ser capaz de modular la fase del pulso P2, que llega al sistema de Alice sin alterar la fase de P1. Esto no es problema existiendo moduladores Niobato de Litio (LiNbO3). Un modulador de fase similar, o más lento, puede ser empleado en el lado de Bob. Otros moduladores de fase están descritos en WO 96/07951.

El mecanismo superior podría trabajar perfectamente bien para fibras ideales, pero no birrefringentes. Infelizmente, todas las fibras ópticas que existen tienen birrefringencia, que modificará el estado de polarización de la luz y puede conducir a una reducción en la visibilidad de la interferencia. Para preservar la interferencia usamos, en vez de espejos usuales, los llamados espejos de Faraday 14, 16, 22. Un espejo de Faraday es simplemente un espejo ordinario pegado en un rotor de Faraday, que rota la polarización en 45º.

El efecto de un espejo de Faraday es transformar cualquier estado de polarización en su ortogonal, por ejemplo el estado de polarización del pulso reflejado en cada punto de la fibra óptica es ortogonal al estado de polarización del pulso recibido. Reemplazando espejos ordinarios 14, 16 mediante los espejos de Faraday (por ejemplo, añadiendo los rotores de Faraday) aseguramos así que los dos pulsos P1 y P2 tienen la misma polarización, no importando los efectos de birrefringencia en la línea de retardo 14-16. Por lo tanto, el estado de polarización del pulso P2 permanece inalterado mediante el rebote doble en los espejos de Faraday 14, 16, y similarmente para el estado de P1 rebotando en los espejos de Faraday 16 y 14 en su camino al detector 17. Nótese que lo anterior no es necesariamente cierto para los pulsos P1 y P2 propagándose a lo largo de la fibra de transmisión (de longitud de varios kilómetros). Debido a la influencia del campo magnético de la Tierra, que crea un pequeño efecto de Faraday en la propia fibra, y a la influencia de posibles fluctuaciones rápidas en la birrefringencia, el estado de polarización de los pulsos de retorno no es necesariamente ortogonal al estado de polarización de entrada. Sin embargo, lo que es importante en nuestro sistema es que los dos pulsos que interfieren P1 y P2, tienen la misma polarización.

El uso de un espejo de Faraday 22 en el lado de Alice nos permite compensar la dependencia con la polarización del modulador de fase 21, así como las pérdidas dependientes de la polarización.

Hasta ahora hemos discutido sólo pulsos macroscópicos. Para obtener seguridad criptográfica cuántica, los pulsos portadores de información necesitan ser muy débiles, con un fotón por pulso como mucho, según se explica en C. H. Benett, G. Brassard y A.K Ekert, "Quantum Cryptography", Scientific American 267, pp. 50-57, 1992. Esto es para impedir que un escuchador oculto malévolo, conocido como Eva, desvíe parte del pulso y obtenga información sobre la clave. En la práctica dependemos de luz láser fuertemente atenuada. Puesto que la distribución del fotón de esta luz es Poissoniana, para asegurar que la probabilidad de más de un fotón es lo suficientemente débil usamos alrededor de 0.1 fotones por pulso, de media. Esta atenuación puede ser obtenida añadiendo el acoplador 20 extra, transmitiendo fuertemente en el brazo de Alice con un coeficiente de transmisión t3 \approx 1. Esto crea la suficiente atenuación en los rayos reflejados mediante el espejo 22 para tener un pulso de fotón aislado, o similar, enviado de vuelta a Bob, así como para maximizar la intensidad que se dirige al detector 23 y permitir así que un detector ordinario 23 sea empleado, y no uno de fotón aislado. Si la atenuación no es suficiente Alice puede añadir un atenuador extra 24, controlado mediante el detector 23, enfrente de su sistema. Usando el detector 23 Alice puede controlar la intensidad de los pulsos entrantes, y controlar la atenuación para asegurar que el pulso P2 que vuelve a Bob tiene de hecho la intensidad correcta. (Recuérdese que los pulsos que van de Bob a Alice no llevan ninguna información de fase todavía; es sólo en el camino de vuelta a Bob, cuando la fase elegida por Alice es codificada en el pulso P2).

Controlar la intensidad entrante tiene la ventaja añadida de que Alice puede detectar cualquier intento, mediante Eva, de obtener el valor de su desplazamiento de fase, enviando pulsos mucho más fuertes al sistema y midiendo la fase de los pulsos reflejados.

En el lado de Bob, el detector de luz 17 necesita ser un detector de fotón aislado, por ejemplo, un fotodetector de avalancha refrigerado LN2 polarizado por encima de la disrupción y funcionando en el modo Geiger. El voltaje de polarización del diodo es la suma de una parte DC, bien por debajo del umbral, y un pulso rectangular corto, por ejemplo 2 ns, que empuja al diodo, por ejemplo 10 V sobre el umbral cuando es esperado un fotón. Esta ventana de tiempo permite que el número de medidas espurias sea reducido considerablemente, y la discriminación de pulsos no relevantes. Además, para obtener tanta luz como sea posible en el detector 17, el acoplador 11 tiene que estar transmitiendo fuertemente con coeficiente de transmisión t1 \approx 1.

Este sistema puede ser empleado para implementar el protocolo B92, o protocolo de dos estados, sugerido mediante C.H. Bennet en "Quantum Cryptography Using Any Two Nonorthogonal States " Physical Review Letters 68, pp. 3121-3124, 1992. Tanto Alice como Bob escogen aleatoriamente su configuración de fase, de forma que los desplazamientos de fase totales en los moduladores de fase 13 y 21 son 0 ó \pi, correspondientes respectivamente a los valores de bit 0 y 1. Nótese que estos son desplazamientos de fase totales correspondientes al viaje de retorno de los pulsos. Por lo tanto si una detección, por ejemplo interferencia constructiva, ocurrió, Alice y Bob saben que ellos aplicaron el mismo desplazamiento de fase y que ellos tenían el mismo valor de bit: si Bob escoge bit 0 y hace un conteo en su detector, él sabe que Alice también envió un 0, y recíprocamente para el bit 1.

Si Alice y Bob usan diferentes desplazamientos de fase, la diferencia es siempre \pi, lo que significa que la interferencia en el detector de fotón aislado 17 es siempre destructiva, y que ningún conteo debería ser registrado. Desde luego, puesto que emplean pulsos débiles, en muchas ocasiones Bob no obtendría ninguna medida en el detector 17. En este caso, no puede inferir qué fue enviado por Alice: podría ser que Alice empleara una fase diferente; o podría ser que simplemente no hubiera fotón en el pulso. Podemos comprender ahora por qué se necesitan pulsos muy débiles: si Alice y Bob usan pulsos fuertes, que siempre porten más de un fotón, Bob podría siempre saber el bit enviado por Alice: un conteo misma elección de fase; ningún conteo diferente elección de fase. Infelizmente, igual ocurre con Eva. Por ejemplo, ella podría simplemente dividir los pulsos añadiendo un acoplador extra en la línea y midiendo la fase de los pulsos enviados por Alice. Sin embargo, si el pulso enviado por Alice posee como mucho un fotón, la simple estrategia del escuchador oculto falla completamente: si Eva mide el fotón, entonces Bob no lo obtendrá y podría simplemente desechar la transmisión correspondiente.

Otra estrategia del escuchador oculto en sistemas de dos estados para Eva podría ser interrumpir por completo la transmisión, medir tantos pulsos como pudiera, y enviar a Bob sólo aquellos que ella se las ha arreglado para obtener. Para impedir esto Alice necesita enviar, tanto un pulso fuerte P1 como referencia, como un pulso débil P2 conteniendo la información de fase. Eva no puede suprimir el pulso fuerte sin ser inmediatamente descubierta. Si ella suprime sólo el débil porque no obtuvo la información de fase, el pulso fuerte sólo introducirá ruido en el detector 17. En el sistema de la invención esto es fácilmente implementado, empleando un acoplador fuertemente asimétrico 12 con coeficiente de transmisión t2 \approx 1, y coeficiente de reflexión r2 \approx 0. En este caso, el pulso P1 yendo de vuelta hacia Bob, es mucho más fuerte que el pulso P2, que ha estado ya atravesando la línea de retardo 14-16 y, por tanto, fue fuertemente atenuado. Bob puede detectar la parte del pulso P1 que va directamente al detector 17, antes de mirar la interferencia. También es posible añadir un acoplador extra y un detector enfrente del espejo de Faraday 16, en un modo similar a como lo está en el sistema de Alice.

El mismo sistema, pero con diferentes elecciones de fase para Alice y Bob, puede ser empleado para implementar otros protocolos, tal como el protocolo BB84 descrito mediante "Quantum Cryptography: Public key distribution and coin tossing", Proceedings of the International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India, 1984, pp. 175-179 (IEEE, New York, 1984). Según la este protocolo, Alice elige entre cuatro posibles estados. En otro ejemplo, si los desplazamientos de fase de Alice no son 0 y \pi/2, sino 0 y cualquier ángulo \alpha, es sencillo para Bob compensar mediante el empleo de \pi - \alpha y n, de forma que cuando Bob emplea un desplazamiento de fase erróneo la interferencia es totalmente destructiva.

La figura 3 muestra un diagrama de bloque de una segunda realización de un sistema de comunicación óptico de acuerdo con la invención, configurado para la distribución de una clave empleando criptografía cuántica, e implementando la distribución de la clave cuántica codificada mediante la fase. Esta realización presenta un acoplador 12' 3x3. En el lado de Alice, puede ser empleada la misma estación de codificación de clave 2 que en la primera realización. En el lado de Bob la estación de transmisión/recepción 1 comprende un láser 10, un acoplador 12' 3x3, un primer espejo de Faraday 14, un segundo espejo de Faraday 16 y dos detectores de fotón aislado 17 y 18.

El primer pulso P1 sigue la siguiente secuencia de ramales:

láser 10 - espejo 16 - espejo 22 (en el lado de Alice) - espejo 16 (en el lado de Bob) - espejo 14 - detectores 17, 18.

El otro pulso P2 sigue la siguiente secuencia de ramales:

láser 10 - espejo 16 - espejo 14 - espejo 16 - espejo 22 (en el lado de Alice) y a los detectores 17, 18.

Dependiendo de la diferencia de fase entre los pulsos P1 y P2, será detectada una interferencia constructiva, bien en el detector 17 o bien en el detector 18. La elección de fase mediante Alice, bien \pi/3 o -\pi/3, envía al fotón bien al detector 17, o bien al detector 18 respectivamente.

La principal ventaja de emplear dos detectores 17 y 18, es que no necesitamos un segundo modulador de fase en el lado de Bob para implementar el protocolo B92. El inconveniente es la necesidad de dos detectores de fotón aislado 17 y 18.

Añadir un segundo modulador de fase antes del espejo de Faraday 14, como en el sistema previo, permite al sistema BB84 estar eficientemente implementado: Alice elige entre las cuatro posibles fases: \pi/3, -\pi/3, 2\pi/3 y -2\pi/3; mientras Bob elige sólo entre 0 (lo que le permite diferenciar entre \pi/3 y -\pi/3), y \pi (lo que le permite diferenciar entre 2\pi/3 y -2\pi/3).

La figura 4 muestra un diagrama de bloque de una tercera realización de un sistema de comunicación óptico según la invención, configurado para la distribución de una clave utilizando criptografía cuántica, e implementando la distribución de la clave cuántica codificada mediante la polarización. Esta realización presenta un acoplador de polarización 12'' en el lado de Bob.

En el lado de Alice, la misma estación de codificación de clave 2 que en la primera realización puede ser empleada. En el lado de Bob, la estación transmisora/receptora 1 comprende un láser 10, un controlador de polarización 100, un primer acoplador 11, un acoplador de polarización 12'', un espejo de Faraday 14, un segundo espejo de Faraday 16 y un sistema de detección de polarización de fotón aislado 17'. De nuevo ningún modulador de fase se necesita en el lado de Bob.

El láser 10 emplea un controlador de polarización 100 para enviar una luz con, por ejemplo, polarización dextrógira. El acoplador de polarización 12'' separa los componentes de polarización vertical y horizontal. Uno de los componentes de polarización, digamos el vertical, sigue la siguiente secuencia de ramales (con un cambio de vertical a horizontal y viceversa cada vez que es reflejada mediante uno de los espejos de Faraday):

láser 10 - espejo 22 (en el lado de Alice) - espejo 16 (en el lado de Bob) - espejo 14 - sistema detector de polarización 17'.

Por otra parte, el otro componente de polarización (el horizontal) sigue la secuencia:

láser 10 - espejo 14 - espejo 16 - espejo 22 (en el lado de Alice) y al sistema de detección 17'.

Cuando los dos pulsos polarizados ortogonalmente se recombinan en el acoplador de polarización 12', la polarización del pulso saliente depende de sus fases relativas, por ejemplo un desplazamiento de fase 0 se corresponde a polarización dextrógira (idéntica a la inicial); mientras que un desplazamiento de fase \pi corresponde a polarización levógira, y los desplazamientos de fase \pm\pi/2dan polarización lineal a =45º. Un cambio de fase en el modulador de fase 21, corresponde así a una diferente polarización de salida. Esta realización, por lo tanto, no requiere un segundo modulador de fase en el lado de Bob, incluso para el protocolo BB84. Es más, mediante el empleo de cuatro distintas elecciones de fase en el modulador de fase 21, cuatro estados diferentes pueden ser codificados. El inconveniente de esta realización es que requiere un sistema de detección 17' más complicado que pueda separar las diversas polarizaciones. Además, requiere que la polarización de los pulsos de retorno sea ortogonal a la polarización de los entrantes. Por tanto, las fluctuaciones rápidas de polarización y la influencia del campo magnético de la Tierra pueden limitar la longitud de la línea de transmisión 3.

Incluso los detectores de fotón aislado producen errores, y ocasionalmente pierden fotones o cuentan un fotón cuando ningún fotón se ha recibido realmente (medidas espurias). Medios de corrección de error, por ejemplo, empleando verificación de redundancia cíclica pueden, por tanto, ser proporcionados en el lado de Bob.

Incluso si la estación de transmisión/recepción 1 y la estación de comunicación de clave 2 han sido mostradas como dos dispositivos separados en la especificación anterior, puede también ser útil combinar una estación de transmisión/recepción y una estación de comunicación de clave en el mismo dispositivo. Este dispositivo combinado puede alternativamente desempeñar el papel de Bob, o de Alice, por ejemplo comenzando una transmisión de clave o respondiendo a otro dispositivo y transmitiendo una clave.

Cualquier realización del sistema de la invención puede ser fácilmente extendida a sistemas multiestación, por ejemplo a un sistema para distribuir una clave simultáneamente a varias estaciones mutuamente conectadas según se indica, por ejemplo, en WO 95/07583.

La realización de la figura 4 es particularmente ventajosa desde este punto de vista, ya que pulsos menos retardados son enviados sobre el canal cuántico.

Claims

1. Procedimiento de comunicación entre dos estaciones (1, 2), empleando un sistema interferométrico para criptografía cuántica, comprendiendo el paso de enviar al menos dos pulsos sobre un canal cuántico (3), y detectar la interferencia creada mediante los mencionados pulsos en una estación, caracterizado porque los mencionados pulsos que interfieren corren sobre los mismos ramales del mencionado interferómetro pero en otra secuencia, de forma que están retardados cuando corren sobre el mismo canal cuántico.

2. Procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque los mencionados pulsos son reflejados mediante al menos un espejo de Faraday, en al menos un extremo del mencionado canal cuántico.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el número medio de fotones en los pulsos que interfieren es menor que 1.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los mencionados pulsos retardados son enviados mediante una fuente (10) en una estación de transmisión/recepción (1) que retarda los segundos pulsos con una línea de retardo (14-16), y recibidos mediante al menos una estación de codificación de clave (2) que modula la fase del segundo pulso y refleja ambos pulsos hacia la mencionada estación de transmisión/recepción (1), que retarda y modula la fase del mencionado primer pulso.

5. Procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque el segundo pulso está atenuado en la mencionada estación de codificación de clave (2), de forma que el número medio de fotones, en el mencionado segundo pulso, reflejados de vuelta a la mencionada estación de transmisión/recepción (1) es menor que 1.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque ambas estaciones (1, 2) escogen aleatoriamente el desplazamiento de fase aplicado a los mencionados primer y segundo pulsos.

7. Procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque los mencionados desplazamientos de fase son elegidos bien con el valor 0, o bien con el valor \pi, y porque la interferencia entre el mencionado primer pulso, y el mencionado segundo pulso, es constructiva cuando ambas estaciones han aplicado el mismo desplazamiento de fase, y totalmente destructiva cuando aplican desplazamientos de fase diferentes.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la luz enviada comprende al menos dos componentes de polarización ortogonales, y porque los mencionados componentes corren sobre los mismos ramales del mencionado interferómetro pero en otra secuencia.

9. Procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque una de las estaciones (2) elige aleatoriamente la fase de uno de los anteriores componentes de polarización con respecto al segundo, creando así una salida de polarización aleatoria.

10. Sistema interferométrico configurado para la distribución de una clave sobre un canal cuántico (3) empleando criptografía cuántica, que comprende:

al menos una estación de transmisión/recepción (1), y al menos una estación de codificación de clave, ambas conectadas al mismo canal cuántico (3),

medios (10, 12, 14, 16) en al menos una de las mencionadas estaciones (1), para enviar al menos dos pulsos sobre el mencionado canal cuántico (3), a al menos la otra estación mencionada,

detectores (17; 17, 18; 17') en, al menos, una de las mencionadas estaciones (1) para detectar la interferencia creada mediante los mencionados pulsos en la mencionada estación,

caracterizado porque los mencionados pulsos que interfieren, corren sobre los mismos ramales del mencionado interferómetro pero en otra secuencia, de forma que están retardados cuando corren sobre el mencionado canal cuántico.

11. Sistema según la reivindicación precedente, caracterizado porque al menos una de las mencionadas estaciones (1, 2) comprende al menos un espejo de Faraday, en al menos un extremo del mencionado canal cuántico.

12. Sistema según una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque al menos una de las mencionadas estaciones (1, 2) comprende medios (20, 24, 12) para atenuar la intensidad de los mencionados pulsos de luz, de forma que el número medio de fotones en los pulsos que interfieren es menor que 1.

13. Sistema según una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque comprende al menos una estación de transmisión/recepción (1), y al menos una estación de codificación de clave (2),

la mencionada estación de transmisión/recepción (1) comprendiendo, una línea de retardo (12, 14, 16) para retardar, el mencionado primer pulso antes de que sea enviado sobre el mencionado canal cuántico (3) y el mencionado segundo pulso recibido sobre el mencionado canal cuántico (3), y al menos un detector de fotón aislado (17; 17-18; 17')para detectar interferencias entre los mencionados primer y segundo pulsos,

la mencionada estación de codificación de clave (2), que comprende espejos (22) para reflejar los mencionados primer y segundo pulsos, y al menos un modulador de fase (21) para modular la fase de al menos uno de los mencionados pulsos.

14. Sistema según una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque la mencionada estación de codificación de clave (2), comprende medios (20; 24) para atenuar la intensidad de al menos uno de los mencionados pulsos, de forma que el número medio de fotones en el mencionado segundo pulso, reflejados de vuelta a la mencionada estación de transmisión/recepción (1), es menor que 1.

15. Sistema según una de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque las mencionadas estaciones (1, 2) eligen aleatoriamente el desplazamiento de fase aplicado a los mencionados primero y segundo pulsos.

16. Sistema según una de las reivindicaciones 10 a 15, caracterizado porque ambas estaciones escogen los mencionados desplazamientos de fase con bien el valor 0, o bien el valor \pi, y porque la interferencia entre el mencionado primer pulso y el mencionado segundo pulso es constructiva cuando ambas estaciones han aplicado el mismo desplazamiento de fase, y totalmente destructiva cuando las estaciones han aplicado diferentes desplazamientos de fase.

17. Sistema según una de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque la luz enviada mediante la mencionada estación de transmisión/recepción (1) comprende al menos dos componentes ortogonales, y porque los mencionados componentes corren sobre idénticos ramales del mencionado interferómetro, pero en otra secuencia.

18. Sistema según la reivindicación precedente, caracterizado porque una de las mencionadas estaciones (2) elige aleatoriamente la fase de uno de los anteriores componentes de polarización con respecto al segundo, creando así una polarización de salida aleatoria.

19. Estación de codificación de clave (2) para comunicar una clave al menos una estación de transmisión/recepción (1), a través de un canal cuántico (3) caracterizado por:

medios reflectantes (22) para reflejar un primer pulso, enviado mediante una estación receptora (1), de vuelta a la mencionada estación receptora (1),

medios reflectantes (22) para recibir un segundo pulso, enviado mediante la mencionada estación receptora (1) poco después del mencionado primer pulso, de vuelta a la mencionada estación receptora (1),

medios de modulación (21) para modular la fase del mencionado segundo pulso con respecto al mencionado primer pulso.

20. Estación de codificación de clave según la reivindicación precedente, caracterizada por medios de detección (23) para detectar el mencionado primer pulso.

21. Estación de codificación de clave según la reivindicación precedente, caracterizada porque el mencionado primer pulso y el mencionado segundo pulso corren ambos a través de los mencionados medios de modulación (21), y son ambos reflejados mediante los mismos medios de reflexión (22), y porque los mencionados medios de detección (23) ajustan el desplazamiento de fase aplicado mediante los mencionados medios de modulación (21) inmediatamente después de haber recibido el mencionado primer pulso, de forma que sólo el mencionado segundo pulso está modulado en fase mediante los mencionados medios de modulación de fase (21).

22. Estación de codificación de clave según la reivindicación precedente, caracterizada porque elige aleatoriamente el desplazamiento de fase aplicado al mencionado segundo pulso.

23. Estación de codificación de clave, según la reivindicación precedente, caracterizada porque el desplazamiento de fase aplicado mediante los mencionados medios de modulación, es elegido aleatoriamente entre bien el valor 0 o bien el valor \pi.

24. Estación de codificación de clave, según una de las reivindicaciones 19 a 23, caracterizada porque comprende, además, unos medios de atenuación (20, 24) para atenuar la intensidad de la luz del mencionado segundo pulso, de forma que el número medio de fotones en el mencionado segundo pulso reflejado de vuelta, es menor que 1.

25. Estación de codificación de clave según la reivindicación 24, caracterizada porque los mencionados medios de atenuación comprenden un acoplador (20) que envía la mayoría de la luz recibida a los medios de detección (23).

26. Estación de codificación de clave según la reivindicación 24 o la reivindicación 25, caracterizada porque los mencionados medios de atenuación comprenden un atenuador controlado mediante los mencionados medios de detección.

27. Estación de codificación de clave según una de las reivindicaciones 19 a 26, caracterizada porque los mencionados medios de reflexión (22) se componen de un espejo de Faraday.

28. Estación de codificación de clave según una de las reivindicaciones 20 a 27, caracterizada porque los mencionados medios de detección no son detectores de fotón aislado.

29. Estación de codificación de clave según una de las reivindicaciones 19 a 28, caracterizada porque los mencionados medios de modulación (21) están hechos de un modulador de Niobato de Litio (LiNbO3).

30. Estación de transmisión/recepción (1) para recibir una clave enviada desde una estación de codificación de clave (2) a través de un canal cuántico (3), caracterizada por:

una fuente de láser de pulsos (10),

una línea de retardo (14-16),

medios de detección (17, 18, 17'),

un primer acoplador (12) conectado de tal forma que los pulsos emitidos mediante la mencionada fuente de láser de pulsos están divididos en dos pulsos, en donde el primer pulso dividido es enviado directamente al mencionado canal cuántico, mientras que el segundo pulso dividido está retardado mediante la mencionada línea de retardo (14-16) antes de ser enviado al mencionado canal cuántico, y porque los pulsos recibidos desde el mencionado canal cuántico (3) están divididos en dos pulsos, donde el primer pulso es enviado directamente a los mencionados medios de detección (17, 18, 17'), mientras que el segundo pulso es retardado mediante la mencionada línea de retardo (14, 16) antes de ser enviado a los mencionados medios de detección (17, 18, 17').

31. Estación de transmisión/recepción según la reivindicación precedente, caracterizada por medios de modulación (13) para modular la fase de los pulsos recibidos retardados mediante la mencionada línea de retardo (14, 16).

32. Estación de transmisión/recepción según la reivindicación precedente, caracterizada porque los mencionados medios de modulación (13) eligen aleatoriamente el desplazamiento de fase aplicado a los mencionados pulsos retardados.

33. Estación de transmisión/recepción según la reivindicación precedente, caracterizada porque los mencionados medios de modulación (13) eligen los mencionados desplazamientos de fase aleatoriamente con, bien el valor 0 o bien el valor \pi.

34. Estación de transmisión/recepción según una de las reivindicaciones 31 a 33, caracterizada porque los mencionados medios de modulación (21) están hechos de un modulador de Niobato de Litio (LiNbO3).

35. Estación de transmisión/recepción según la reivindicación 30, caracterizada porque comprende dos detectores (17, 18), porque el primer acoplador (12') es un acoplador 3x3 conectado a los mencionados detectores (17, 18), y porque un pulso será enviado bien sobre el primero (17) o bien sobre el segundo (18) de los mencionados detectores, dependiendo de la interferencia creada en el mencionado acoplador (12').

36. Estación de transmisión/recepción según la reivindicación 30, caracterizada porque la mencionada fuente de láser (10) envía pulsos de luz con una polarización circular, y porque el mencionado primer acoplador (12'') es un acoplador de polarización que separa las polarizaciones vertical y horizontal de los pulsos.

37. Estación de transmisión/recepción según una de las reivindicaciones 30 a 36, caracterizada porque la mencionada línea de retardo (14, 16) comprende dos espejos de Faraday (14, 16) que reflejan los pulsos retardados.

38. Estación de transmisión /recepción según una de las reivindicaciones 30 a 37, caracterizada porque los mencionados medios de detección (17, 18, 17') son detectores de fotón aislado.

39. Estación de transmisión/recepción según la reivindicación precedente, caracterizada porque los mencionados detectores de fotón aislado (17, 18, 17') son fotodiodos de avalancha polarizados por encima de la disrupción inversa y funcionando en el modo Geiger.

40. Estación de transmisión /recepción según una de las reivindicaciones 38 ó 39, caracterizada porque para reducir el número de medidas espurias los detectores de fotón aislado son activados sólo cada vez que un fotón es esperado.

41. Estación de transmisión /recepción según una de las reivindicaciones 30 a 40, caracterizada porque la mencionada fuente de láser de pulsos es un láser DFB.

42. Estación de transmisión /recepción según una de las reivindicaciones 30 a 41, comprendiendo además medios de corrección de error.

43. Dispositivo para la distribución de una clave sobre un canal cuántico (3) empleando criptografía cuántica caracterizado porque

éste comprende una estación de transmisión/recepción (1) para recibir una clave enviada desde una estación de codificación de clave (2), a través de un canal cuántico (3), mientras que la estación de transmisión/recepción (1) comprende una fuente de láser de pulsos (10), una línea de retardo (14-16), medios de detección (17, 18, 17'), un primer acoplador (12) conectado de tal forma que los pulsos emitidos mediante la mencionada fuente de láser de pulsos están divididos en dos pulsos, donde el primer pulso dividido está directamente dirigido al mencionado canal cuántico mientras que el segundo pulso dividido está retardado mediante la mencionada línea de retardo (14, 16) antes de ser enviado el mencionado canal cuántico, y que los pulsos recibidos desde el mencionado canal cuántico (3) están divididos en dos pulsos, donde el primer pulso es directamente enviado a los mencionados medios de detección (17, 18, 17') mientras que el segundo pulso está retardado mediante la mencionada línea de retardo (14, 16) antes de ser enviado a los mencionados medios de detección (17, 18, 17'), y

que comprende una estación de codificación de clave (2), para comunicar una clave a al menos una estación de transmisión/recepción (1) a través de un canal cuántico (3), mientras que la estación de transmisión/recepción (1) comprende medios de reflexión (22) para reflejar un primer pulso enviado mediante una estación receptora (1) de vuelta a la mencionada estación receptora (1), medios de reflexión (22) para reflejar un segundo pulso enviado mediante la mencionada estación receptora (1) poco después del mencionado primer pulso, de vuelta a la mencionada estación receptora (1), y medios de modulación (21) para modular la fase del mencionado segundo pulso con respecto al mencionado primer pulso.

44. Sistema para múltiples estaciones para la distribución de una clave sobre un canal cuántico (3), empleando criptografía cuántica entre al menos una estación de transmisión/recepción (1), y al menos una estación de codificación de clave (2), caracterizado por

que comprende una estación de transmisión/recepción (1) para recibir una clave enviada desde una estación de codificación de clave (2) a través de un canal cuántico (3), mientras que la estación de transmisión/recepción (1) comprende una fuente de láser de pulsos (10), una línea de retardo (14, 16), medios de detección (17, 18, 17') y un primer acoplador (12), conectados de tal forma que los pulsos emitidos mediante la mencionada fuente de láser de pulsos están divididos en dos pulsos, donde el primer pulso dividido es enviado directamente al mencionado canal cuántico, mientras que el segundo pulso dividido es retardado mediante la mencionada línea de retardo (14, 16) antes de ser enviado al mencionado canal cuántico, y que los pulsos recibidos desde el mencionado canal cuántico (3) están divididos en dos pulsos, donde el primer pulso es directamente enviado a los mencionados medios de detección (17, 18, 17'), mientras que el segundo pulso está retardado mediante la mencionada línea de retardo (14, 16) antes de ser enviado a los mencionados medios de detección (17, 18, 17'), y

que comprende una estación de codificación de clave (2) para comunicar una clave a, al menos, una estación de transmisión/recepción (1) a través de un canal cuántico (3), mientras que la estación de transmisión/recepción (1) comprende medios de reflexión (22) para reflejar un primer pulso enviado mediante una estación receptora (1) de vuelta a la mencionada estación receptora (1), medios de reflexión (22) para reflejar un segundo pulso, enviado mediante la mencionada estación receptora (1) poco después del mencionado primer pulso, de vuelta a la mencionada estación receptora (1), y medios de modulación (21) para modular la fase del mencionado segundo pulso con respecto al mencionado primer pulso.